KAGRA: Detector Gravitacional Criogênico do Japão

Como o KAGRA Detecta Ondas Gravitacionais

A história da astronomia está intimamente ligada ao progresso dos telescópios, que progressivamente revelaram mais do Universo para nós. Começou com o telescópio primitivo de Galileo e outros pioneiros, e continua até hoje.

À medida que o tempo passa, mais e mais maneiras de detectar atividade estelar são implantadas além do espectro de luz visível.

Cobrimos vários desses novos megaprojetos de telescópios, por exemplo:

• DKIST, o telescópio solar mais poderoso do mundo.
• O Telescópio Espacial James Webb, localizado a milhões de milhas de distância da Terra.
• O Observatório Vera C. Rubin, um telescópio de levantamento que olha para o céu inteiro de uma vez.
• SKAO (Observatório de Array de Quilômetro Quadrado), estudando o céu no espectro de ondas de rádio.
• DUNE (Experimento de Neutrinos Subterrâneos Profundos), detectando neutrinos elusivos.

Outro tipo novo de astronomia está surgindo, um que estuda o céu de uma maneira completamente nova: em vez de luz e várias comprimentos de onda de ondas eletromagnéticas, ele mede ondas gravitacionais.

Apenas teórico até relativamente recentemente, agora as ondas gravitacionais são um fenômeno comprovado. Já cobrimos um desses “telescópios de gravidade” com o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO).

Outro é o projeto japonês Detector de Ondas Gravitacionais de Kamioka (KAGRA). Tomando uma abordagem diferente da estratégia de grande escala e multi-sites do LIGO, o KAGRA se concentra em medições de precisão ultra-alta usando espelhos criogênicos para reduzir interferências.

Da Teoria de Einstein às Ondas Gravitacionais

A gravidade havia sido considerada por muito tempo como apenas uma das forças fundamentais do Universo, como o eletromagnetismo ou a força que impulsiona as forças nucleares no nível atômico.

Mas no início do século 20, a teoria da relatividade de Einstein descreveu a gravidade como a curvatura do espaço-tempo.

Sua teoria não apenas descreveu corretamente como a gravidade funciona para objetos muito grandes, como estrelas, mas também previu muitos fenômenos espaciais que ainda não haviam sido descobertos na época, como estrelas de nêutrons e buracos negros.

Outra previsão foi a existência de ondas gravitacionais, causando o espaço a se esticar e se contrair como ondulações que se propagam na superfície de um lago.

Ao contrário de uma onda regular de luz ou mesmo de uma onda oceânica de água, uma onda gravitacional não é transportada por partículas.

Em vez disso, uma onda gravitacional ocorre quando o próprio tecido do espaço-tempo ondula ou vibra.

Então, as ondas gravitacionais são essencialmente fazendo um segmento específico do universo se esticar ou se contrair, tornando uma distância dada mais longa ou mais curta quando elas passam por perto.

Alguns eventos astronômicos seriam provavelmente massivos o suficiente para gerar ondas gravitacionais fortes o suficiente para serem medidas, como, por exemplo, a colisão de dois buracos negros.

No entanto, não importa o quão poderoso tal fenômeno seja em termos absolutos, a grande distância entre a Terra e sua fonte, e a dificuldade de tentar medir o próprio espaço-tempo, significam que um instrumento ultra-sensível precisa ser projetado para detectar esses eventos.

Quando as ondas gravitacionais atingem a Terra, a milhões ou bilhões de anos-luz de distância, elas são milhares de bilhões de vezes menores.

Então você precisa de medições muito precisas, pois a quantidade de ondulação do espaço-tempo que as ondas gravitacionais geram será 10.000 vezes menor que o núcleo de um átomo!

Como os Interferômetros Detectam Ondas Gravitacionais

A primeira evidência indireta de ondas gravitacionais foi obtida por meio do estudo da órbita de um pulsar binário. A perda de energia de decadência orbital correspondia à energia prevista que seria perdida para a geração de ondas gravitacionais, ganhou os cientistas responsáveis por essa descoberta o Prêmio Nobel de Física de 1993.

Fonte: Nobel Prize

A medição direta exigia um tipo diferente de prova, usando um interferômetro. A ideia básica de um interferômetro é usar a interação entre feixes de luz. Se dois feixes de luz tiverem o mesmo comprimento de onda, eles se sobreporão e criarão um padrão de pontos claros e escuros.

Mas se algo mudar a distância percorrida por esses comprimentos de onda, como uma onda gravitacional, a perturbação pode ser medida.

Como a expansão e contração do espaço-tempo das ondas gravitacionais também expandem e contraem um dos braços do interferômetro mais do que o outro, isso cria um efeito detectável e mensurável de ondas gravitacionais.

Dentro do KAGRA: Design e Localização

Layout do Interferômetro (Braços de 3 km)

Como outros interferômetros, o conceito básico do KAGRA é usar um tubo de vários quilômetros de comprimento, onde um laser é disparado. Esse feixe de laser é então dividido em dois ao longo de caminhos perpendiculares.

Fonte: Nobel Prize

Ambos os feixes são então refletidos de volta após atingir um espelho. Normalmente, cada feixe de laser deveria cancelar o outro, resultando em nenhuma luz detectada.

Mas se um braço for contraído ou estendido mais do que o outro por uma onda gravitacional, a interferência entre os feixes de laser para, e um sinal de luz é detectado.

Em 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser da Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF LIGO) confirmou a detecção das ondas criadas pela colisão de buracos negros a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra.

Esse trabalho inovador rendeu aos físicos Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne o Prêmio Nobel de Física de 2017.

O que Torna o KAGRA Único (Subterrâneo e Criogênico)

Enquanto o LIGO foi o primeiro a detectar ondas gravitacionais, o KAGRA pode ser o próximo passo nesse campo da ciência.

A razão é que o KAGRA é construído subterraneamente, e graças a uma atualização a partir de seus conjuntos iniciais, quando ainda era chamado de Telescópio de Ondas Gravitacionais Criogênicas de Grande Escala (LCGT), o KAGRA está usando espelhos de massa de teste resfriados a temperaturas criogênicas.

A temperatura fria permite medições muito mais precisas e será uma característica importante de projetos de interferometria futuros, como o Telescópio Einstein (lançamento planejado para 2035) ou o Cosmic Explorer (lançamento planejado para a década de 2040).

Especificações Técnicas do KAGRA

O KAGRA é projetado para observar ondas gravitacionais de binárias de estrelas de nêutrons a ~150 Mpc (~489 milhões de anos-luz), dependendo da sensibilidade do detector durante uma corrida de observação.

O corpo principal do KAGRA é composto por um par de túneis de braços de 3 km de comprimento que se encontram em um ângulo de 90° no plano horizontal. É a versão ampliada do protótipo de 100 metros de comprimento chamado Detector Criogênico de Protótipo (CLIO).

A instalação está localizada a 200 m (656 pés) abaixo do solo, um design que reduz significativamente o ruído das ondas sísmicas na superfície da Terra. Construir subterraneamente, portanto, resolve a maioria das interferências de baixa frequência que afetam os projetos de interferômetros de superfície, como o LIGO.

Apesar da região ser propensa a terremotos, este local específico é relativamente protegido, graças a recursos geológicos únicos.

“As ondas de terremoto são enfraquecidas quando se propagam pela cordilheira de Tateyama, localizada a nordeste do local do KAGRA.

Isso ocorre porque o solo de baixa densidade distribuído a uma altitude de aproximadamente 5 km atua como um amortecedor.”

O KAGRA faz parte do Observatório de Kamioka, localizado na mina de Kamioka, um laboratório que se especializa na detecção de neutrinos, matéria escura e ondas gravitacionais.

O Observatório de Kamioka é notável por incluir Super-Kamiokande, um detector de neutrinos que fez história ao detectar a primeira evidência de oscilação de neutrinos em 1998.

Fonte: MDPI

O KAGRA foi concluído em 4 de outubro de 2019, após 9 anos de construção. Seus sistemas foram atualizados em 2021-2022, após as primeiras observações iniciadas em fevereiro de 2020 serem interrompidas pela pandemia de COVID.

A colaboração do KAGRA é composta por mais de 360 indivíduos de mais de 90 instituições. O KAGRA é operado pelo Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos da Universidade de Tóquio (ICRR) com contribuições do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) e da Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia (KEK).
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